सिलिकॉन नाइट्राइड (SI3N4): संरचना, गुण, उत्पादन, उपयोग - रसायन विज्ञान - 2025

सिलिकॉन नाइट्राइड एक अकार्बनिक नाइट्रोजन (एन) और सिलिकॉन (Si) से मिलकर यौगिक है। इसका रासायनिक सूत्र Si ₃ N _{4 है} । यह असाधारण कठोरता और उच्च तापमान के प्रतिरोध के एक उज्ज्वल ग्रे या हल्के भूरे रंग की सामग्री है।

इसके गुणों के कारण, सिलिकॉन नाइट्राइड का उपयोग उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां पहनने के लिए उच्च प्रतिरोध और उच्च तापमान की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, इसे काटने के उपकरण और बॉल बेयरिंग बनाने के लिए उपयोग किया जाता है।

सिलिकॉन नाइट्राइड एस ₃ एन _{4 4} । Lucasbosch। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

इसका उपयोग उन मशीनों के टुकड़ों में किया जाता है, जिन्हें उच्च यांत्रिक बलों, जैसे टरबाइन ब्लेड का विरोध करना चाहिए, जो बड़े सिलेंडर की तरह होते हैं, जहाँ पानी या गैसों के पारित होने के साथ ब्लेड को उच्च गति से घूमना चाहिए, जिससे ऊर्जा पैदा होती है।

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक का उपयोग उन भागों को बनाने के लिए किया जाता है जो पिघले हुए धातुओं के संपर्क में आने चाहिए। उनका उपयोग मानव या जानवरों की हड्डियों के प्रतिस्थापन के रूप में भी किया जा सकता है।

Si ₃ N ₄ में इलेक्ट्रिकल इंसुलेटिंग गुण हैं, अर्थात यह बिजली का संचार नहीं करता है। इसलिए इसका उपयोग माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों या बहुत छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जा सकता है।

संरचना

सिलिकॉन नाइट्राइड में प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु (Si) को सहसंयोजक 4 नाइट्रोजन परमाणुओं (N) के साथ जोड़ा जाता है। इसके विपरीत, प्रत्येक नाइट्रोजन परमाणु 3 सिलिकॉन परमाणुओं से जुड़ा होता है।

इसलिए, बंधन बहुत मजबूत हैं और यौगिक को उच्च स्थिरता देते हैं।

सिलिकॉन नाइट्राइड Si ₃ N ₄ की लुईस संरचना । ग्रासो लुइगी। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

सिलिकॉन नाइट्राइड सी ₃ एन _{4 की} तीन आयामी संरचना । ग्रे = सिलिकॉन; नीला = नाइट्रोजन। ग्रासो लुइगी। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

सिलिकॉन नाइट्राइड में तीन क्रिस्टलीय संरचनाएं हैं: अल्फा (α-Si ₃ N ₄), बीटा (β-Si ₃ N ₄) और गामा (γ-Si ₃ N ₄)। अल्फा और बीटा सबसे आम हैं। गामा उच्च दबाव और तापमान पर प्राप्त होता है और सबसे कठिन होता है।

शब्दावली

• सिलिकॉन नाइट्राइड
• ट्रिसिलिकॉन टेट्रानिट्राइड

गुण

भौतिक अवस्था

ठोस चमकीला ग्रे।

आणविक वजन

140.28 ग्राम / मोल

गलनांक

1900 º सी

घनत्व

3.44 ग्राम / सेमी ³

घुलनशीलता

पानी में अघुलनशील। हाइड्रोफ्लोरिक एसिड एचएफ में घुलनशील।

रासायनिक गुण

यह एक बहुत ही स्थिर यौगिक है, जिस तरह से सिलिकॉन और नाइट्रोजन परमाणुओं को सी ₃ एन ₄ में बंधित किया जाता है _।

सिलिकॉन नाइट्राइड में हाइड्रोक्लोरिक (एचसीएल) और सल्फ्यूरिक (एच ₂ एसओ ₄) एसिड के लिए उत्कृष्ट प्रतिरोध है । यह ऑक्सीकरण के लिए भी बहुत प्रतिरोधी है। यह एल्यूमीनियम और इसके मिश्र धातुओं के लिए प्रतिरोधी है।

अन्य गुण

इसमें थर्मल शॉक का अच्छा प्रतिरोध, ऊंचे तापमान पर कठोरता का उच्च प्रतिधारण, कटाव और पहनने के लिए उत्कृष्ट प्रतिरोध और जंग के लिए उत्कृष्ट प्रतिरोध है।

इसमें असाधारण कठोरता है जो सामग्री की पतली मोटाई के आवेदन की अनुमति देता है। यह उच्च तापमान पर इसके गुणों को बनाए रखता है।

सिलिकॉन नाइट्राइड फिल्में पानी, ऑक्सीजन और धातुओं के प्रसार के लिए उत्कृष्ट बाधाएं हैं, यहां तक ​​कि उच्च तापमान पर भी। वे बहुत कठिन हैं और एक उच्च ढांकता हुआ निरंतर है, जिसका अर्थ है कि वे बिजली का खराब संचालन करते हैं, इस प्रकार एक विद्युत इन्सुलेटर के रूप में कार्य करते हैं।

यह इन सभी कारणों के लिए है कि यह उच्च तापमान और उच्च यांत्रिक तनाव अनुप्रयोगों के लिए एक उपयुक्त सामग्री है।

प्राप्त

इसे अमोनिया (NH ₃) और सिलिकॉन क्लोराइड (SiCl ₄) के बीच की प्रतिक्रिया से शुरू किया जा सकता है, जिसमें सिलिकॉन amide Si (NH ₂) _{4 का उत्पादन किया जाता है,} जिसे गर्म करने पर एक इमाइड बनता है और फिर सिलिकॉन नाइट्राइड Si _३ एन _४ ।

प्रतिक्रिया संक्षेप में दी जा सकती है:

सिलिकॉन क्लोराइड + अमोनिया → सिलिकॉन नाइट्राइड + हाइड्रोक्लोरिक एसिड

3 SiCl ₄ (गैस) + 4 NH ₃ (गैस) → Si ₃ N ₄ (ठोस) + 12 HCl (गैस)

यह 1200-1400 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर नाइट्रोजन गैस (एन ₂) के साथ कॉम्पैक्ट पाउडर सिलिकॉन (सी) का इलाज करके भी निर्मित किया जाता है । हालांकि, इस सामग्री में 20-30% माइक्रोप्रोसेसर है जो इसकी यांत्रिक शक्ति को सीमित करता है।

3 सी (ठोस) + 2 एन ₂ (गैस) → सी ₃ एन ₄ (ठोस)

इस कारण से, एस ₃ एन ₄ पाउडर को सघन सिरेमिक बनाने के लिए पाप किया जाता है, इसका मतलब है कि पाउडर उच्च दबाव और तापमान के अधीन है।

अनुप्रयोग

इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में

सिलिकॉन नाइट्राइड का उपयोग अक्सर एकीकृत परिपथों और सूक्ष्म संरचनाओं में एक निष्क्रियता या संरक्षण परत के रूप में किया जाता है।

एक एकीकृत सर्किट एक संरचना है जिसमें कुछ फ़ंक्शन करने के लिए आवश्यक इलेक्ट्रॉनिक घटक होते हैं। इसे चिप या माइक्रोचिप भी कहा जाता है।

सिलिकॉन नाइट्राइड Si ₃ N ₄ का उपयोग माइक्रोचिप्स के निर्माण में किया जाता है। मूल अपलोडर अंग्रेजी विकिपीडिया पर जेफिरिस था। । स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

सी ₃ एन ₄ में पानी, ऑक्सीजन और सोडियम जैसे धातुओं के प्रसार के लिए उत्कृष्ट प्रतिरोध है, यही कारण है कि यह एक इन्सुलेट परत या बाधा के रूप में कार्य करता है।

इसका उपयोग ढांकता हुआ पदार्थ के रूप में भी किया जाता है, इसका मतलब है कि यह बिजली का खराब कंडक्टर है, इसलिए यह इसके लिए एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करता है।

यह माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक अनुप्रयोगों (प्रकाश तरंगों की पीढ़ी और पता लगाने) के लिए कार्य करता है। इसका उपयोग ऑप्टिकल कोटिंग्स में एक पतली परत के रूप में किया जाता है।

यह डायनेमिक रैंडम एक्सेस मेमोरी या DRAM (डायनेमिक रैंडम एक्सेस मेमोरी) के लिए कैपेसिटर में उपयोग की जाने वाली सबसे आम ढांकता हुआ सामग्री है, जो कंप्यूटर में उपयोग की जाती हैं।

कंप्यूटर या कंप्यूटर में उपयोग की जाने वाली DRAM मेमोरी। इसमें सिलिकॉन नाइट्राइड हो सकता है। Victorrocha। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

सिरेमिक सामग्री में

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक में पहनने के लिए उच्च कठोरता और प्रतिरोध के गुण होते हैं, इसलिए इसका उपयोग ट्राइबोलॉजिकल इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में किया जाता है, अर्थात, जहां बहुत घर्षण और पहनने का उपयोग होता है।

Dense Si ₃ N ₄ उच्च लचीली ताकत, फ्रैक्चर के लिए उच्च प्रतिरोध, खींचने या फिसलने के लिए अच्छा प्रतिरोध, उच्च कठोरता और क्षरण के लिए उत्कृष्ट प्रतिरोध प्रदर्शित करता है।

सिलिकॉन नाइट्राइड से बने विभिन्न आकारों के बॉल बेयरिंग। इनका उपयोग मशीनरी में किया जाता है। Lucasbosch। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

यह तब प्राप्त होता है जब सिलिकॉन नाइट्राइड को 1750-1900 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर एल्यूमीनियम ऑक्साइड और yttrium ऑक्साइड (अल ₂ ओ ₃ + वाई ₂ ओ ₃) जोड़कर तरल चरण में सिंटरिंग द्वारा संसाधित किया जाता है ।

सिंटरिंग में एक सघन पाउडर और तापमान के लिए एक सघनता और अधिक कॉम्पैक्ट सामग्री प्राप्त करने के लिए कंपाउंड पाउडर होता है।

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक का उपयोग एल्यूमीनियम गलाने वाले उपकरण में किया जा सकता है, अर्थात् बहुत गर्म स्थान जहां पिघला हुआ एल्यूमीनियम मौजूद होता है।

सी ₃ एन ₄ सिरेमिक से बने सीलिंग के लिए ट्यूब और कास्ट एल्यूमीनियम के साथ प्रक्रियाओं में उपयोग किया जाता है। Hshkrc। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की संरचना इंजीनियरों की मांगों के अनुसार विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए गुणों का अनुकूलन करने का एक शानदार अवसर प्रदान करती है। यहां तक ​​कि इसके कई संभावित अनुप्रयोगों को अभी तक अमल में लाना है।

एक बायोमेडिकल सामग्री के रूप में

1989 के बाद से यह स्थापित किया गया था कि Si ₃ N ₄ एक बायोकंपैटिबल मटीरियल है, जिसका अर्थ है कि यह जीवित जीव के एक हिस्से को नुकसान पहुंचाए बिना और उसके चारों ओर ऊतक के पुनर्जनन की अनुमति दे सकता है।

इसका उपयोग लोड-असर हड्डियों के प्रतिस्थापन या मरम्मत के लिए घटकों का निर्माण करने के लिए किया जाता है और साथ ही इंटरवर्टेब्रल उपकरणों, अर्थात् छोटी वस्तुओं जो रीढ़ की मरम्मत की अनुमति देते हैं।

मानव या जानवरों की हड्डियों पर किए गए परीक्षणों में, हड्डी और प्रत्यारोपण या Si ₃ N ₄ सिरेमिक टुकड़ों के बीच का संघ थोड़े समय में हुआ ।

मानव शरीर की हड्डियों की मरम्मत या सिलिकॉन नाइट्राइड के कुछ हिस्सों के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है। लेखक: कॉम 329329 स्रोत: पिक्साबे

सिलिकॉन नाइट्राइड गैर विषैले है, यह सेल आसंजन, सामान्य प्रसार या कोशिकाओं के गुणन और उनके भेदभाव या सेल प्रकार द्वारा वृद्धि का पक्षधर है।

बायोमेडिसिन के लिए सिलिकॉन नाइट्राइड कैसे बनाया जाता है

इस आवेदन के लिए, सी ₃ एन ₄ पहले से एल्यूमिना और येट्रियम ऑक्साइड (अल ₂ ओ ₃ + वाई ₂ ओ ₃) के योजक के साथ एक sintering प्रक्रिया के अधीन है । इसमें एस ₃ एन ₄ पाउडर के साथ-साथ एडिटिव्स पर दबाव और उच्च तापमान लागू होता है ।

यह प्रक्रिया परिणामस्वरूप सामग्री को बैक्टीरिया के विकास को रोकने, संक्रमण के जोखिम को कम करने और शरीर के सेलुलर चयापचय का पक्ष लेने की क्षमता देती है।

इस प्रकार, यह हड्डी की मरम्मत के उपकरणों में तेजी से चिकित्सा को बढ़ावा देने की संभावना को खोलता है।

विभिन्न अनुप्रयोगों में

इसका उपयोग उच्च तापमान अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां पहनने के लिए प्रतिरोध की आवश्यकता होती है, जैसे बीयरिंग (भागों जो मशीनों में घूर्णी आंदोलन का समर्थन करते हैं) और काटने के उपकरण।

यह टरबाइन ब्लेड (ड्रम के साथ एक ड्रम द्वारा बनाई गई मशीन जिसमें पानी या गैस पास करते समय घूमता है और इस तरह ऊर्जा उत्पन्न होती है) और गरमागरम कनेक्शन (उच्च तापमान पर जोड़ों) में भी उपयोग किया जाता है।

टर्बाइन या विमान इंजन, इसके ब्लेड में सिलिकॉन नाइट्राइड हो सकता है। लेखक: Lars_Nissen_Photoart स्रोत: पिक्साबे

इसका उपयोग थर्मोकपल ट्यूब (तापमान सेंसर), पिघला हुआ धातु क्रूसिबल, और रॉकेट ईंधन इंजेक्टर में किया जाता है।

संदर्भ

1. कॉटन, एफ अल्बर्ट और विल्किंसन, जेफ्री। (1980)। उन्नत अकार्बनिक रसायन विज्ञान। चौथा संस्करण। जॉन विले एंड संस।
2. यूएस नेशनल लाइब्रेरी ऑफ मेडिसीन। (2019)। सिलिकॉन नाइट्राइड। Pubchem.ncbi.nlm.nih.gov से पुनर्प्राप्त किया गया।
3. डीन, जेए (संपादक)। (1973)। लैंग की हैंडबुक ऑफ केमिस्ट्री। ग्यारहवाँ संस्करण। मैकग्रा-हिल बुक कंपनी।
4. झांग, जेएक्सजे और होशिनो, के (2019)। नैनो / माइक्रोफैब्रिकेशन और स्केल इफ़ेक्ट के फंडामेंटल आणविक सेंसर और नैनोडेविसेस (दूसरा संस्करण) में। Scirectirect.com से पुनर्प्राप्त।
5. ड्राउट, सी। एट अल। (2017)। सिरेमिक के प्रकार। सिलिकॉन नाइट्राइड: एक परिचय। सिरेमिक बायोमेट्रिक में अग्रिमों में। Scirectirect.com से पुनर्प्राप्त।
6. किता, एच। एट अल। (2013)। सिलिकॉन नाइट्राइड और SiAlON की समीक्षा और अवलोकन, जिसमें उनके अनुप्रयोग शामिल हैं। हैंडबुक ऑफ़ एडवांस्ड सेरामिक्स (सेकंड एडिशन) में। Scirectirect.com से पुनर्प्राप्त।
7. हो, एचएल और अय्यर, एसएस (2001)। DRAMs। नोड कैपेसिटेंस मुद्दे। इनसाइक्लोपीडिया ऑफ़ मटिरियल्स: साइंस एंड टेक्नोलॉजी। Scirectirect.com से पुनर्प्राप्त।
8. झांग, सी। (2014)। सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट के पहनने और जनजातीय गुणों को समझना। सिरेमिक मैट्रिक्स कंपोजिट (दूसरा संस्करण) में अग्रिमों में। Scirectirect.com से पुनर्प्राप्त।